第二章 基本原理簡介
2.1 有線電視之量測參數定義
2.2.1 載波-雜訊比( CNR )的基本定義及其量測方式：
載波雜訊比( Carrier-to-Noise Ratio, CNR )在意義上與數位光纖 通信系統中之訊號雜訊比( Signal-to-Noise Ratio, SNR )相同，而一般 在調變的有線電視系統中都是以載波雜訊比的量測來代替訊號雜訊 非線性效應，如：雷利散射效應( Rayleigh backscattering effect )、布 里昂效應( SBS )、自我相位調變( Self Phase Modulation, SPM )….等，
以及參鉺光纖放大器中所產生之放大自發性輻射( ASE )雜訊。3)接收
其中：
B
：為接收機頻寬頻道數的多寡會影響二次與三次諧波的互調的成分數目，而且不 同的頻道規劃也會影響成分數目，其中同頻道內的三次諧波和互調的 成分數目，遠超過二次諧波和互調的成分數目；在
NTSC
的頻道規劃 時，80
頻道在同頻道內的三次諧波和互調的成分可能高達千個，而 二次諧波和互調的成分僅為70
個左右。由於一般輸入光發射機的各 射頻載波的功率位準都相等，我們可以假設各頻道的光調變深度相 同，所以各諧波和互調的成分亦有相等的功率，並可推算合成二次與 三次拍差比的數值。在NTSC
的80
個頻道中，合成的二次與三次拍 差比的成分數目大約可以圖2.2
、2.3
來表示，合成二次拍差比的成分 數目分別於高、低頻時較高，高頻段由A
＋B
為主要型式，低頻段由A
－B
為主要型式，而低頻段的峰值較高頻段多，且將近70
個。合成 三次拍差比的成分數目分別於100~200 MHz
、200~300 MHz
、400~500
MHz
和500~550 MHz
有四個峰值，其中以500~550 MHz
頻段近千個成分數目最多。且在頻道數大於
7
時，A
－B
型式的成分數目為合成 二次拍差比的主要決定成分數目，A
＋B
－C
型式的成分數目為合成 三次拍差比的主要決定成分數目(
其中A,B,C
為任意射頻訊號)
。由於二次合成拍差
( CSO )
是兩波道影像載波頻率f
1、f
2之和或 差(f
1±f
2)
，或二次諧波2f
1、2f
2對其它頻道影像載波頻率產生±0.75MHz
及±
1.25MHz
之干擾，如圖2.4
所示，所以在量測時，因為對頻道影響較多的為影像載波右邊的拍差部分，故一般在量取影像載波以右邊
的
0.75MHz
以及1.25MHz
的位置之拍差大小。圖2.4
為合成二次拍差之分佈與量測範圍。
對於三次拍差
( CTB )
，它是由兩個或三個不同波道頻率彼此相加或相減以及其它三次諧波等，造成對另一波道載波的直接干擾
(f
1±f
2±f
3，2f
1±f
2，3 f
1等造成之干擾)
，因為三次拍差都恰好落在影像載波之 正下方，圖2.5
所示，故一般在量測三次拍差時，皆須把載波關掉，以量取位於影像載波正下方位置之拍差成分。
2.2 摻鉺光纖放大器( EDFA )的基本原理[12][13]：
2.2.1
基本原理及其架構：摻鉺光纖放大器包括幫激
( Pump )
和增益介質( Gain Medium )
兩 大部分，對於其增益介質(
也就是摻鉺光纖)
是把稀土族元素的鉺(Er
3+)
離子摻雜在光纖的核心中，因為幫激光源會將鉺離子從基態激發躍遷 至高能階，形成存活時間約10ms
的居量反轉效應，當信號光打入摻 鉺光纖時，與激發之鉺離子而引起激發輻射( stimulated emission )
，產 生與入射光同相位、同方向的光子，因此可實現高效率、高輸出功率 與高增益的光放大器。而對於沒能發生激發輻射的激態電子會以自發 性輻射( spontaneous emission )
由高能階掉回較低之能階，形成相位與 方向都不定的放大後自發性輻射( Amplified Spontaneous Emission,
ASE )
成為摻鉺光纖放大器在傳輸中的最主要雜訊。也由於基材為氧化矽
(SiO
2)
與單模光纖的材料相同，故已廣泛使用於光纖元件的整 合。同時，也尚有將鋁離子、銩離子等不同的離子摻入氧化矽中，由 於離子摻入非晶質的氧化矽，故可用來達到較寬頻化的效果。圖2.6
為摻鉺光纖放大器的最基本架構圖，包含幫激光源、摻鉺光纖和分波多工器
( WDM )
等的被動元件。2.2.2
幫激光源與其幫激型式
對於摻鉺光纖放大器所用的幫激雷射，一般其波長為
980 nm
和1480 nm
的半導體雷射。980 nm
波長的幫激方式可以用三階能階的系統來表示之
(
如圖2.7)
，鉺離子被激發至 4I
11/2能階隨後很快的(~2
μS)
掉到較穩態的4I
13/2能階，因此使用980 nm
波長的幫激雷射可以維持 高居量反轉，並且有較低雜訊的特性。由於摻鉺光纖在980 nm
的吸 收波段較窄，所以980 nm
的幫激雷射常會加上光纖布拉格光柵( Fiber
Bragg Grating, FBG )
以選擇共振波長的方式提供精準的幫激波長。1480 nm
波長的幫激方式因為幫激與信號躍遷都是在同一能帶上，通常使用二階能階系統來表示之。
1480 nm
波長的幫激有許多優 益頻譜( Amplifier Gain Spectrum )
從吸收狀態轉為增益狀態，這時光 放大器才能提供光增益給光信號，而且增益隨著幫激功率的增加而增相同於光信號的波長，但有部分鉺離子會因外界的擾動自行掉下來形 放大過程中的自發性輻射
( Spontaneous Emission )
耦合到信號所造成 的。而光放大器的雜訊指數定義成：ν
：為光的頻率(Hz)
被吸收，而物質離子將因為吸收了能量變成激態，隨後又以極迅速的 時間輻射出與入射光子頻率相同的光子，然而物質又回復到穩定態，
這個過程就稱為散射
( scattering )
，對於激發性拉曼散射而言是發生在 光纖中的非線性效應。在1904
年R.W. Wood
首先觀察到稀薄氣體的 散射作用，由於散射光與入射光的頻率或能量相同，因此又稱共振輻 射( resonance radiation )
或彈性散射( elastic scattering )
。但假如一單色 光照射在物質上而發生散射時，將不只觀察到相同頻率的散射光，而 且還會有極少部分其它頻率的散射光，此少部分的散射稱為非彈性散 射( inelastic scattering )
，在此僅討論拉曼散射( SRS )
。2.3.1
自發性拉曼散射( Spontaneous Raman Scattering )[14][15]
自發性拉曼散射是
1923
年由Adolf Smekal
所預測，並於1928
年由加爾答大學的教授C.V. Raman
爵士在實驗中觀察到。其機制如 圖2.8
所示，假設剛開始有一分子震動能態( vibrational state )
為<b>
， 在 吸收 一能 階為h
νi 的 光 子 後 ， 躍 遷 到 一 中 間 態( Intermediate state )
，而隨即作一史扥克遷移( Stokes transition )
至能態< c >
，並釋 放出能量為h
νs的光子( h
νs＜h
νi)
，在能量守恆情況下：h
νi－h
νs＝
h
νcb，因此，此時分子是處於較能量高的狀態如圖2.8(a)
所示，而h
νcb為振動能，依據量子觀點可稱為聲子( Phonon )
；反之，若遷移 後處於較低能態，如圖2.8(b)
，則此時稱為反史扥克遷移( Anti-Stokes transition )
，而h
νs＞h
νi，即光子h
νi吸收一聲子能量h
νba輻射出 能量h
νs的光子。2.3.2
激發拉曼散射( Stimulated Raman Scattering, SRS )[14][15]
SRS
是1962
年時，Eric J. Woodbury
和Won K. Ng
於實驗時無 意中所發現，他們將694.3 nm
的光波照射在材料上，發現其中約由10
℅偏移到766.0 nm
，其間頻率差為40THz
，是實驗材料硝基苯分子的振動能之一。圖
2.9
為SRS
的示意圖，有兩個光子同時照在一個分 子上，其中一個光子具有入射光的頻率νi，另一個則具散射光的頻率νs，這個分子吸收
h
νi的能量後，頻率νs的光子會激發此分子輻不同，通常為幫激光源及史扥克光波頻率差的函數，若幫激波長改變
( ) ( )
A. Solheim, and J. Conradi,
IEEE Photon. Technol Lett.6, 648(1994). ) :
端的相對功率比。
2.4 拉曼幫激雷射合波器( Raman Pump Laser Combiner )
對於一般摻鉺光纖放大器而言，幫激功率約在
300 mW
或甚至更低，而對於拉曼放大器而言，所需的幫激功率一般皆須超過
700 mW
，有時更會超過1 W
以上的大功率。在此高功率下，元件對高功 率的承受與忍耐度上要求便很高，也因為拉曼放大器需要如此高的幫 激功率，故常使用結合多個不同波長的幫激雷射來達到此高幫激功 率，也讓拉曼增益頻譜更寬且增益更高。拉曼幫激雷射合波器( Raman
Pump Laser Combiner )
便由此而生，它具有增加放大器功率、低的插入損失與高功率承受度等
…..
的優點。它的低插入損失與高功率的承 受度都是影響幫激功率在拉曼放大時的增益轉換率。一般而言，其製 造方式有用微光學及熔燒兩種方式。微光學的元件是使用一個薄膜濾波器
( Thin Film Filter )
將一個波 長反射，而以另一波長傳送，並通常使用黏膠將光纖、較準光稜鏡( collimating lens )
及濾波器固定住。使用微光學製造的拉曼幫激雷射合波器會由於污染而使得介面區域對高功率承受度下降。熔燒式光纖 元件的拉曼幫激雷射合波器可同時結合兩個波長於輸出端輸出，它利 用二波長於長熔燒區間中進行不同耦合作用，讓分開的不同波長造成 不同型式的重疊，一起由輸出端輸出。熔燒式的拉曼幫激雷射合波器 有較高的功率承受度，有實驗已經證明可有
6W
的功率承受度，且在3W
的高功率下，可持續500
個小時，對於這兩種狀況下，其插入損 失依舊不受影響，表2-2
為現今部分廠商已生產常用之14
××波段拉曼 幫激雷射合波器之主要幾項規格情形比較。第三章 拉曼光放大之有線電視 系統性能實驗
拉曼放大的效應是由於高功率在光纖中所產生的非線性效應
( Stimulated Raman Scattering, SRS )
將短波長之能量轉移給長波長而 造 成 信 號 之 放 大 作 用 ， 其 所 產 生 之 位 移 量 大 約 與 幫 激 光 源 相 距13.2THz ( ~105 nm )
。本章中，將利用五種不同之實驗架構來討論拉曼放大器在類比
CATV
系統中所產生之問題並與摻鉺光纖放大器在 同樣系統中作一比較。3.1 量測系統架構
實驗的架構中，我們是使用
Ortel
公司所研發的外調式調幅視訊 光發射機( Model 3960A )
，輸出功率為5.9~6.2 dBm
、輸出波長為1549.28 nm
，以及對於布里昂的非線性效應( SBS )
抑制功率為16 dBm
的發射機，表3-1
為此發射機之本身之性能。圖3-1
為Back-to-Back
之架構圖，所謂Back-to-Back
是利用NTSC ( National Television
Standard Committee ) 80
個載波頻道，載入發射機中傳送，利用一個已模組化之摻鉺光纖放大器將信號放大，其輸出功率約為
20 dBm
， 圖3-2
為此摻鉺光纖放大器之ASE
頻譜圖，放大器後並利用光衰減器
(VOA)
將信號衰減使其進入接收端的功率保持在2 dBm
，以產生最佳的視訊性能，且利用可調式射頻帶通濾波器
( RF Tunable Bandpass
Filter )
來濾除其它頻道，最後並使用有線電視頻譜分析儀( HP-8591C )
來作性能分析，此架構中並無經過任何光纖傳輸。圖
3-3
為加上25 km
LEAF ( Large Effect Area Fiber )
光纖傳輸時的架構，所謂LEAF
光纖 也就是大有效面積光纖，一般而言，它的色散參數約為4 ( ps/km-nm )
比單模光纖的17 ( ps/km-nm )
來的低，但卻有著比單模光纖來得大的 損失( ~0.24dB/km )
，其有效面積(A
eff)
約為72µm
2~90µm
2，相較於SMF
之80µm
2以及DSF
之50µm
2，其有較大之有效面積。在此架構中，為避免由摻鉺光纖放大器輸出時過大的功率在進入光纖中會產生布
里昂散射
( SBS )
的非線性效應因而劣化系統性能，因此我們利用光衰減器在輸入光纖前衰減其功率，讓進入光纖的功率保持在
16 dBm
。減器在輸入光纖前衰減其功率，讓進入光纖的功率保持在